《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：A review of similar physical simulation in geotechnical engineering: Advances in the past 25 years
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本综述系统梳理了21世纪以来岩土工程相似物理模拟方法的进展，涵盖相似理论从简单物理量相似到复杂变量下畸变相似定量分析的飞跃，相似材料从简单配比到功能化定制（如透明土技术突破"黑箱"局限），模型制作从粗糙手工到智能精准建造的升级，加载系统从单/双向发展到真三轴及多场耦合，测量技术实现声光电磁热力多物理场表征的突破。文献计量与高被引论文证实该方法在隧道、边坡、桩基、大坝等关键岩土问题中的核心作用，并指出本构相似性不足、环境模拟简化等挑战，未来将通过多学科融合推动物理模拟向精细化、集成化、智能化发展。
相似理论的演进与挑战
相似理论是岩土工程物理模拟的基石，其发展经历了从定性到定量的演变。三大相似定理（直接相似定理、Π定理和逆相似定理）构成了物理相似模拟的理论框架。近年来，相似理论已从简单的物理量相似推进到复杂变量下畸变相似的定量分析。例如，针对模型畸变问题，研究者提出了力学类比畸变映射方法，通过建立原型与模型相似准则的映射系数（如公式(3)中的λm= πp/πm），实现了对地下洞室变形破坏物理模拟结果的定量解读。在动态模型试验中，需同时满足静力相似关系和动力参数相似条件，如Chen等（2015a）基于Maymand相似律推导的土-结构相互作用地震相似关系（公式(1)）。然而，现有相似理论多基于线弹性假设，对复杂岩土材料动态非线性特性及多场耦合效应的模拟仍显不足，未来需结合机器学习方法实现对复杂物理模型试验结果的定量分析。
相似材料的创新与突破
相似材料的合理选取是物理模型试验成功的前提。传统相似材料主要通过调整骨料（如砂、铁矿粉、重晶石粉）、胶结剂（如水泥、石膏）和添加剂的比例来模拟硬岩、软岩等不同岩土类型。透明岩土相似材料的出现是重要突破，例如以环氧树脂为骨料制备透明硬岩，以硅粉模拟软岩和粘土，以熔融石英砂模拟砂土，实现了岩土体内部力学行为和渗流过程的可视化。3D打印技术为相似材料制备带来了革命性变化，光固化成型技术（如使用光敏树脂）可直接打印含复杂裂隙网络的类岩试样，水泥基挤压打印技术则能制备力学性能接近天然岩石的类岩材料。地外岩土相似材料（如月球土壤模拟物JMSS-1、火星全球模拟物MGS-1）的研发也为深空探测提供了实验支持。当前挑战在于高透明度往往以牺牲原型相似性为代价，材料参数可调范围有限，未来需通过材料创新与技术集成提升模拟精度。
模型制作技术的智能化发展
模型制作方法从传统的夯筑成型法、小块体砌筑法、浇铸翻模法，逐步发展到基于3D打印的增材建造法。夯筑成型法操作简单但模型均匀性差；小块体砌筑法可模拟节理、断层等结构面，但块体力学性能与天然岩体匹配度有限；浇铸翻模法能保证模型密度均匀，但难以制作复杂结构。3D打印技术通过结合激光扫描或CT扫描，可实现岩体或地下洞室的三维重建，快速成型复杂结构模型，如Jiang等（2016a）结合三维光学表面扫描、三维雕刻和三维打印技术，提出了天然节理面智能复制新方法。智能化建造技术正推动模型制作向自动化、精准化方向发展，但大尺度模型分段打印易引入拼接误差，打印参数对材料力学性能的影响复杂，未来需深化人工智能与3D打印技术的融合，实现模型智能建造与定量评价。
加载系统的多场耦合升级
加载设施可分为边界加载系统（如真三轴加载）、离心加载系统（如离心机试验）和振动台加载系统。边界加载设备从早期的杠杆加载发展到现代液压伺服加载，加载维度从单/双向升级到多场耦合三向加载。中国学者研发了系列大型设备，如李术才院士团队的大型地质力学模型试验系统、冯夏庭院士团队的真三轴高压硬岩动力扰动试验系统等。振动台系统则从单向振动发展到六自由度三维振动，日本E-Defense和天津大学在建的振动台是代表设备。离心机系统通过高速旋转产生的离心力补偿几何缩尺引起的自重应力损失，动态离心机结合电液伺服振动台，成为岩土地震工程研究最有效平台。当前设备在模拟水-气-热-力多场耦合复杂环境时，多停留在单因素或少数因素控制，未来需研发精细动静态耦合加载装备，并集成AI反馈技术实现加载过程智能调控。
测量技术的多元化融合
测量技术涵盖接触式测量（如机械测量、电阻应变计、光纤传感器）和非接触式测量（如数字图像相关DIC、声发射AE、X射线CT扫描）。光纤传感技术（如光纤布拉格光栅FBG）具有抗电磁干扰、灵敏度高等优势，可实现分布式测量和三维应变场获取。非接触式光学测量方法中，DIC技术广泛应用于全场变形测量，粒子图像测速PIV技术用于流体瞬时速度测量，X-CT扫描可检测模型内部微损伤。多技术组合应用成为趋势，如Feng等（2021）在微波致裂硬岩试验中同时采用红外测温、分布式光纤传感、声发射和数字散斑技术。未来需进一步提升测量精度和抗干扰能力，结合智能算法实现数据融合解读，并通过数字孪生技术实现实时可视化交互分析。
物理模拟的工程应用与展望
物理模拟技术在隧道、边坡、桩基、大坝等岩土工程领域发挥重要作用。文献计量分析显示，中国在隧道物理模拟领域的SCI论文数量居全球首位，西南交通大学、同济大学等机构活跃度高。高被引论文分析表明，浅埋隧道稳定性、边坡降雨诱发滑坡机制、桩基承载特性、大坝渗流稳定性等是研究热点。当前物理模拟仍面临内部结构本征相似性控制不足、外部环境相似性模拟不充分、工程扰动相似性模拟不完善等挑战。未来发展方向包括：相似理论向多尺度结构高保真相似和智能畸变校正模型发展；相似材料借助深度学习实现性能精准调控；模型制作通过多工艺融合技术满足复杂多相介质复合结构模型需求；加载系统向智能化、无人化操作迈进；测量技术通过无人实验室实现全流程自动化。岩土工程物理模拟将朝着更精细、更智能、更集成的方向演进，为深地、深海、深空等重大战略需求提供关键技术支撑。
